架空電力線路巡線機(jī)器人及運(yùn)用分析

紀(jì)湛

廣東建能電力工程有限公司，廣東廣州，511400

0 引言

架空電路是我國(guó)電力體系中不可或缺的重要組成部分，但是常規(guī)的人工巡檢一直存在工作難度高、風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題，導(dǎo)致電力企業(yè)無(wú)法有效獲得線路狀態(tài)信息，增加了輸電線路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。針對(duì)上述問(wèn)題，越來(lái)越多的學(xué)者開始推廣巡線機(jī)器人技術(shù)，該機(jī)器人具有工作效率高、精度滿意等優(yōu)點(diǎn)，成為未來(lái)智能化電網(wǎng)的重要組成部分，其發(fā)展前景廣闊，值得關(guān)注[1]。

1 巡線機(jī)器人技術(shù)分析

本次研究中所介紹的巡線機(jī)器人能夠用于高壓架空輸電線路的安全檢查，在多傳感器控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制、機(jī)械學(xué)與傳感器技術(shù)于一身，能夠滿足惡劣氣候條件下的巡視要求。因此在本次設(shè)計(jì)中，巡線機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能：（1）機(jī)器人可以在架空電力線路上正常運(yùn)行；（2）機(jī)器人可以識(shí)別不同工況，如障礙的影響；（3）可以在分辨障礙物的基礎(chǔ)上快速跨越；（4）可以經(jīng)無(wú)線系統(tǒng)將線路的狀態(tài)信息反饋給指揮平臺(tái)。

2 巡線機(jī)器人的硬件構(gòu)造

2.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所介紹的巡線機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巡線機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖

從圖1所介紹的信息中可知，該機(jī)器人整體可以分為機(jī)器人主體、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、線路信號(hào)采樣以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)方面，其中機(jī)器人主體部分是核心，可以經(jīng)過(guò)對(duì)線路信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣來(lái)判斷機(jī)器人當(dāng)前架空線路的狀態(tài)情況。在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，可經(jīng)過(guò)CAN總線來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)并與地面控制系統(tǒng)之間完成信息交互。

2.2 主控制器的電路設(shè)計(jì)

（1）機(jī)器人的主控制器。在設(shè)計(jì)機(jī)器人主控制器系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能夠完成對(duì)外信號(hào)的采集，所采集的數(shù)據(jù)包括機(jī)器人的姿態(tài)信息、架空線路的圖像信息、溫濕度信息等，并且在對(duì)上述信息資料進(jìn)行處置的基礎(chǔ)上，由自動(dòng)化系統(tǒng)操控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（工作人員也可以根據(jù)巡檢要求提出不同的控制指令）。因此本文選擇NXP公司推出的MPC微處理器為主控制器，該微處理器的主頻高達(dá)200MHz，而因?yàn)樵摍C(jī)器人的任務(wù)量巨大，該微處理器的主頻高則可以保證控制器的運(yùn)行效率。同時(shí)該處理器內(nèi)部提供延遲互鎖的校驗(yàn)核，該裝置可以提高機(jī)器人運(yùn)行的安全性，避免因?yàn)楣收隙绊懻９δ堋?/p>

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。根據(jù)圖1介紹的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行系統(tǒng)中占據(jù)著重要作用，因此在本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用直流無(wú)刷電機(jī)，經(jīng)單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元來(lái)控制直流無(wú)刷電機(jī)，并且能夠輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)作，與控制指令之間形成快速響應(yīng)。在對(duì)上述系統(tǒng)功能進(jìn)行考慮后，本次設(shè)計(jì)中選擇TMS系列為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制器的核心，作為一塊32位微控制器，該設(shè)備在驅(qū)動(dòng)與傳感等幾方面均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化改進(jìn)，被廣泛應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方面；該電機(jī)的外設(shè)資源豐富，能夠提供60MHz主頻，有良好的響應(yīng)與處理機(jī)制，可以支持多種控制策略的實(shí)現(xiàn)。

（3）系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)方案中的電源電路采用了3.3V電壓供電的方法，在經(jīng)過(guò)電容、電感來(lái)濾波處理電源電路之后，將輸出電源波紋控制在較低水平；同時(shí)為保障信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾性，在本次研究中同時(shí)增設(shè)數(shù)字電源來(lái)滿足系統(tǒng)數(shù)字電路供電的要求，經(jīng)零歐姆電阻模擬地連接之后，維持電位相等[2]。

（4）電源設(shè)計(jì)。考慮到該機(jī)器人需要長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行在架空輸電線路上，所以只能使用移動(dòng)電源的方法提供穩(wěn)定動(dòng)力，同時(shí)因?yàn)檠簿€機(jī)器人每個(gè)電子單元所能提供的電源電壓等級(jí)不同，其中主體部分機(jī)器人需要信號(hào)級(jí)電源，而信號(hào)采樣部分需要負(fù)極性電壓支持信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，所以在對(duì)上述功能的考慮后本文提出了一種系統(tǒng)電源電路體系，具體如圖2所示。

圖2 機(jī)器人的電源電路結(jié)構(gòu)圖

在圖2介紹的電源結(jié)構(gòu)下，使用24V容量50000mAH鋰電池供電，經(jīng)LDO轉(zhuǎn)化器可以將其轉(zhuǎn)換為＋12V、＋5V、＋3.3V、-12V等不同等級(jí)的電壓，確保能夠?yàn)闄C(jī)器人不同功能單元提供能源。

2.3 攝像頭及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）攝像頭的選擇。巡線機(jī)器人應(yīng)具有在架空線路上自主翻越障礙的功能，并且能夠記錄線路的狀態(tài)，所以攝像頭的成像質(zhì)量對(duì)機(jī)器人性能有直接影響。所以在本次設(shè)計(jì)中本文選擇了ALENTEK推出的OV5640型號(hào)攝像頭，該攝像頭選擇了500W像素高清攝像頭集成模塊，該攝像頭采用了1.4×1.4um像素，并且具有自動(dòng)圖像采集功能，也能提供自動(dòng)白平衡與自動(dòng)曝光等功能。最后該攝像頭可以提供嵌入式處理器，方便技術(shù)人員的后續(xù)功能開發(fā)。

（2）攝像頭應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)。因?yàn)樵摂z像頭內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了嵌入式處理器與操作線路，所以在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中應(yīng)將輸出信號(hào)端與巡線機(jī)器人主控器連接。因此在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)攝像頭的電源需求分別提供1.5V、2.8V與3.0V三種等級(jí)的電壓，經(jīng)STROBE引腳自主控制。

2.4 姿態(tài)信號(hào)采樣

姿態(tài)信號(hào)采樣的主要功能是記錄、識(shí)別機(jī)器人在架空線路上的運(yùn)行狀態(tài)情況，當(dāng)不需要跨越障礙物的情況下，機(jī)器人行駛輪與架空線路嚙合，因此機(jī)器人可以維持平衡狀態(tài)；但是在跨越障礙物時(shí)，需要機(jī)器人將一條手臂駛出架空線路，這種情況會(huì)改變機(jī)器人的平衡狀態(tài)，所以在信號(hào)檢測(cè)中應(yīng)該根據(jù)平衡狀況判斷障礙執(zhí)行動(dòng)作，最終來(lái)保障機(jī)器人的安全性。

本文使用了MPU6050姿態(tài)檢測(cè)裝置，該裝置集成了加速度計(jì)傳感器與陀螺儀，可以檢測(cè)空間不同維度的軸向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)變化，再加之集成具有拓展功能的DMP運(yùn)動(dòng)處理器，聚集良好的抗干擾性，并且可以為后續(xù)功能開發(fā)提供必要的支持。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)前文設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在本次設(shè)計(jì)中機(jī)器人電機(jī)控制器使用了電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略，其中在閉環(huán)調(diào)節(jié)器中采用了PI調(diào)節(jié)模式，該模式的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以監(jiān)測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)的相電流信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)。

在軟件設(shè)計(jì)中主要根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的不同狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，目前其常見狀態(tài)主要分為故障、暫停以及運(yùn)行三種狀態(tài)。其中在空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)初始化后開始等待工作人員發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，當(dāng)系統(tǒng)接收運(yùn)動(dòng)指令后即可進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。在進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)中內(nèi)控制器解析控制指令并為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供轉(zhuǎn)速給定值，并且開始記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓以及霍爾傳感器等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)資料執(zhí)行系統(tǒng)控制算法，保障了整個(gè)線路檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)提供電路信號(hào)故障檢測(cè)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障之后系統(tǒng)會(huì)識(shí)別機(jī)器人的異常電流信號(hào)并進(jìn)入到故障狀態(tài)。在故障狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器開始控制PWM的輸出，電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程停止，系統(tǒng)開始向上反饋控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息[3]。

3.2 圖像解析軟件設(shè)計(jì)

攝像頭所采集的所有圖像數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送給對(duì)面控制站，在圖像數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每一個(gè)PCLK時(shí)鐘周期內(nèi)會(huì)輸出8位/10位的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通訊為8位接口，所以系統(tǒng)每輸出一個(gè)字節(jié)都會(huì)記錄，且每?jī)蓚€(gè)字節(jié)可以組成像素顏色。

攝像頭活動(dòng)側(cè)的圖片按照最小編碼單元方式進(jìn)行壓縮與存儲(chǔ)的，其中每個(gè)最小標(biāo)碼單元均由8×8像素組成，并按照從左到右、從上到下的方式存儲(chǔ)。圖像信號(hào)的解碼過(guò)程主要可分為Huffman解碼、量化以及IDCT三個(gè)步驟組成，所有圖像可經(jīng)過(guò)YUV色彩圖像空間來(lái)描述圖像信息，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的亮度、色度等參數(shù)可以將其圖像進(jìn)行解碼，而在解碼后的圖像就是可以用于解讀的灰度圖像。

3.3 越障執(zhí)行策略

當(dāng)機(jī)器人在架空線路上行走時(shí)，所產(chǎn)生的行走動(dòng)作主要分為無(wú)障礙行走與障礙物翻越兩方面內(nèi)容，在運(yùn)行中機(jī)器人可按照傳感器所識(shí)別的架空線路環(huán)境變化情況執(zhí)行動(dòng)作，執(zhí)行動(dòng)作的單元?jiǎng)t是電機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能設(shè)定目標(biāo)，除了設(shè)置攝像頭來(lái)采樣線路信號(hào)之后，巡線機(jī)器人在三個(gè)手臂上均設(shè)置光電傳感器。在正常運(yùn)行期間，當(dāng)光電傳感器識(shí)別到障礙物信息之后此時(shí)主控制器可以接收反饋信號(hào)，此時(shí)主控制器可以識(shí)別機(jī)器人在翻越障礙物后，記錄前臂、中臂、后臂與障礙物之間的距離，檢測(cè)結(jié)果可以用于判斷機(jī)器人是否已經(jīng)遠(yuǎn)離障礙物。此時(shí)在正常線路上行走時(shí)，攝像頭可以捕獲到障礙物的位置并開始執(zhí)行手臂跨越障礙的動(dòng)作，此時(shí)先由前臂行走脫線，之后后臂旋轉(zhuǎn)，經(jīng)中輪與后輪驅(qū)動(dòng)作用下使機(jī)器人順利越過(guò)障礙物，當(dāng)后輪回歸正常的行走狀態(tài)下，經(jīng)傳感器可以判斷后輪與障礙物之間的距離，確定了兩者之間存在一定的距離后，機(jī)器人開始繼續(xù)執(zhí)行直線無(wú)障礙行進(jìn)。

4 高架線路巡線機(jī)器人的應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景簡(jiǎn)介

為判斷本文所開發(fā)的巡線機(jī)器人的合理性，按照上文內(nèi)容開發(fā)了三臂巡檢機(jī)器人，巡線機(jī)器人與地面控制系統(tǒng)之間采用了CC2500通訊的方法，同時(shí)為了能夠降低工作人員操作機(jī)器人的難度，在操作箱上設(shè)置了搖桿工藝，經(jīng)過(guò)搖桿即可判斷巡線機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)情況，具有操作方便的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在操作系統(tǒng)中設(shè)置LCD液晶顯示屏，該裝置可以顯示巡線機(jī)器人所發(fā)送的輸電線路照片以及巡線機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等資料[4]。

4.2 運(yùn)行效果分析

根據(jù)本文對(duì)巡線機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)后，最終檢測(cè)結(jié)果證明巡線機(jī)器人可以沿著高壓輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行，并快速檢測(cè)輸電線路的安全等級(jí)參數(shù)；機(jī)器人也可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中清理輸電線路上殘存的垃圾。

在對(duì)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析后，對(duì)其開展了多個(gè)方位的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，巡線機(jī)器人在架空線路運(yùn)行中可以發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，且地面站操控箱可以接收巡線機(jī)器人所傳送的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程并未受到高壓電磁干擾的影響，信號(hào)輸入效果穩(wěn)定。

在調(diào)試模式下，結(jié)果顯示機(jī)器人可以將處理后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至處理站，根據(jù)攝像頭采樣原圖、經(jīng)灰度閾值處理后的二值化圖像以及經(jīng)Canny檢測(cè)到的障礙物圖像對(duì)比后，最終結(jié)果證明該機(jī)器人可以快速識(shí)別線路上的障礙物，具有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)巡線機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各類障礙物的執(zhí)行與越過(guò)情況的分析，機(jī)器人順利通過(guò)障礙物，未發(fā)現(xiàn)機(jī)器人掉落或者無(wú)法翻越障礙物的問(wèn)題，取得了預(yù)期效果。

本次研究中為了保證研究結(jié)果的穩(wěn)定性，通過(guò)機(jī)器人共進(jìn)行了十次檢測(cè)，最終檢測(cè)結(jié)果證明，在10次運(yùn)行中，其中有3次運(yùn)行結(jié)果顯示為異常，其中2次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)線路絕緣皮被破壞，1次發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的線路斷股問(wèn)題，在工作人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之后，證實(shí)上述問(wèn)題存在。這一結(jié)果證明，在架空線路機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中，該裝置可替代工作人員完成復(fù)雜情況下的系統(tǒng)檢測(cè)，并且發(fā)現(xiàn)線路中存在的問(wèn)題，方便工作人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，維護(hù)了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間來(lái)看，檢測(cè)結(jié)果顯示每次運(yùn)行時(shí)間約為1.2～2.3h，續(xù)航時(shí)間滿足電網(wǎng)管理的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

架空電力線路巡線機(jī)器人的開發(fā)滿足未來(lái)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求，在技術(shù)上具有可行性，本文所介紹的巡線機(jī)器人開發(fā)方案在技術(shù)上具有可行性，能夠提高加工線路巡查的工作效率，取代傳統(tǒng)人工巡視的工作模式，并且技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案科學(xué)有效，提示本文所提出的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案科學(xué)有效、值得進(jìn)一步推廣。